JP2022016338A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】装置全体を小型化できるとともに、高精度加工を達成すること。【解決手段】第１ユニット４１の第１モータ４１１の回転により加工ツール３１が鉛直な第１軸線Ｓ１を中心に回転されて、その先端の刃先が軸交点を中心にして水平面内を回転される。第２ユニット４２の第２モータ４２１の回転により、加工ツール３１が第１軸線Ｓ１に対して４５度の角度θ１をなす第２軸線Ｓ２を中心に回転変位される。そして、加工ツール３１がＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動されることにより、加工ツール３１によりテーブル上のワークに対して球面などの加工を施すことができる。【選択図】図３

Description

本発明は、ワーク加工するための加工ツールを装備する工作機械に関するものである。

特許文献１に開示された工作機械においては、先端の刃先においてワークを加工する加工ツールが自身の長手方向と平行をなす第１軸線を中心に回転されて変向される。また、加工ツールは加工ツールの先端の刃先から大きく離れた位置において前記第１軸線と直角をなす第２軸線を中心に回転されて変向される。さらに、加工ツールは第１軸線および第２軸線と直角をなす第３軸線を中心に回転されて変向される。そして、変向された加工ツールが３軸方向に移動されることにより、球面などの曲面を切削できるとしている。

特開２０１７－１３１５２号公報

前記特許文献１において、加工ツールは、その先端の刃先から大きく離れるとともに、第１軸線と直角をなす第２，第３軸線を中心に回転移動される。この回転移動によって、加工ツールは指向角度を変向するものである。言い換えれば、加工ツールの姿勢を変更する姿勢変向軸としての３軸がそれぞれ異なる位置において異なる方向を向いているため、加工ツールの角度変向機構が大型化する。従って、その大型化する角度変向機構をＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向へ移動させる機構も大型化する。その結果、工作機械全体が大型化して、設置スペースの確保が困難になる。

また、工作機械の大型化はその工作機械の大重量化を招く。工作機械が大重量化すると、機械振動の周波数が低くなるものの、振幅が大きくなるため、加工精度が低下する。
しかも、３軸がそれぞれ異なる位置において異なる方向を向いている従来構成においては、加工ツールの刃先の位置や傾き角度を調節する場合、加工ツールはその刃先とは異なる位置を中心に動かされる。従って、刃先を変向させる場合、加工ツールをその刃先から離れた位置を中心に複雑に動かす必要がある。例えば、加工ツールを刃先の位置を変更することなく、垂直面内において動かして、刃先の向きのみ変向しようとする場合、従来構成においては、加工ツールは刃先から離れた水平軸を中心に動かされる。従って、刃先の位置が上下に移動してしまうことになり、その上下移動をキャンセルするために、加工ツール全体を上下に移動させる必要がある。このため、刃先の変向のための制御が複雑になり、高精度加工が困難になる。

本発明の目的は、装置全体を小型化できるとともに、高精度加工を達成できる工作機械を提供することにある。

以上の目的を達成するために、本発明においては、第１姿勢変向軸と、その第１姿勢変向軸に対して傾斜する第２姿勢変向軸と、その第２姿勢変向軸に対して傾斜する第３姿勢変向軸を有するとともに、前記第１～第３姿勢変向軸を１点で交差させ、前記第３姿勢変向軸の軸線上に加工ツールを支持するようにしたことを特徴とする。

以上の構成においては、加工ツールが第１姿勢変向軸を中心に回転されて、その先端の刃先が水平面内において変向される。また、加工ツールが第１姿勢変向軸に対して例えば４５度の角度をなす第２姿勢変向軸を中心に回転されて変向される。従って、加工ツールの角度を調節できる。また、加工ツールが第３姿勢変向軸の軸線上において回転されて変向される。従って、加工ツールを自在に変向できるため、ワークの被切削面が球面のような曲面形状であっても、加工ツールの先端を被切削面に対する法線上に位置させることができる。このため、姿勢変向軸が１点で交差していない従来構成とは異なり、加工ツールを１点を中心に姿勢変向させればよい。従って、工作機械の小型化および構成の簡素化が可能になり、高精度な加工を施すことができる。

また、加工ツールの刃先が１点を中心にした３軸上に位置して、その加工ツールが第３変向軸に沿って延びて第３変向軸を中心に向きを変更できる。このため、加工ツールの刃先を常に加工方向に向けることが可能になり、加工ツールが例えばバイトである場合には好適である。さらに、加工ツールの刃先を第３姿勢変向軸上から外れないようにできるため、刃先位置にその回転角度変化による誤差が生じることはない。従って、高精度加工ができる。

加えて、３軸が同一点で交差している。このため、従来のような３軸がそれぞれ別の位置にあって交差していない構成とは異なり、不要な動きのキャンセル動作をともなうような高精度な位置決めを必要としない。従って、複雑な制御が不要になる。

以上のように、本発明においては、装置全体を小型化できて、高精度加工を達成できるという効果を発揮する。

第１実施形態の工作機械を示す斜視図。 同じく第１実施形態の工作機械を示す正面図。 第１実施形態の要部を示す一部斜視図。 図３とは異なる動作時における第１実施形態の要部を示す一部斜視図。 図３および図４とは異なる動作時における第１実施形態の要部を示す一部斜視図。 第１，第２，第３姿勢変向軸の角度関係を示す線図。 第３姿勢変向軸の移動範囲を示す線図。 第２実施形態を示す斜視図。 第２実施形態を示す簡略図。 第２実施形態の装置によって加工されたワークを示す斜視図。 （ａ）～（ｄ）は、図１０のワークの加工工程を示す断面図。 第３実施形態を示す正面図。 図１２の状態から加工ツールを移動させた状態を示す正面図。 図１２の状態から図１３とは異なる位置に加工ツールを移動させた状態を示す正面図。

[第１実施形態]
以下、本発明を具体化した実施形態を説明する。はじめに、第１実施形態の構成を図１～図７の図面に基づいて説明する。

（第１実施形態の構成）
図１及び図２に示すように、機台１４の上部にコラム部１６が形成されている。このコラム部１６の前面の左右方向に水平（Ｘ軸方向）に延びる第１ガイドレール１７には水平移動体１８が支持されている。水平移動体１８には鉛直方向（Ｚ軸方向）に延びる第２ガイドレール２１が形成されている。この第２ガイドレール２１に昇降体２２が昇降可能に支持されている。機台１４には前後方向（Ｙ軸方向）に延びる第３ガイドレール１９が敷設されている。この第３ガイドレール１９にはワークＷを搭載するテーブル２０が支持されている。水平移動体１８，昇降体２２およびテーブル２０は、図示しないモータにより移動される。

図３～図５に示すように、昇降体２２には第１モータ４１１を有する第１ユニット４１が搭載されている。この第１モータ４１１の出力軸の軸線（以下、第１軸線という）Ｓ１はＺ軸方向である鉛直方向に伸びている。第１モータ４１１の出力軸には第２モータ４２１を有する第２ユニット４２が支持されている。この第２モータ４２１の出力軸の軸線（以下、第２軸線という）Ｓ２は前記第１軸線Ｓ１に対して４５度の角度θ１に設定されている（図６参照）。そして、第１モータ４１１の出力軸の回転により、第２ユニット４２は第１軸線Ｓ１に対して４５度の角度θ１を維持した状態で、鉛直方向に延びる第１軸線Ｓ１を中心に水平面内を回転される。

第２モータ４２１の出力軸には第３モータ４３１を有する第３ユニット４３が支持されている。この第３モータ４３１の出力軸の軸線（以下、第３軸線という）Ｓ３は第２軸線Ｓ２に対して４５度の角度θ２に設定されている。従って、角度θ１，θ２の合計角度は９０度である。そして、第２モータ４２１の出力軸の回転により、第３ユニット４３が第２軸線Ｓ２を中心に回転される。このとき、第３モータ４３１の出力軸は第３軸線Ｓ３上において第２軸線Ｓ２に対して４５度の角度θ２を維持した状態で回転される。

図３，図６及び図７に示すように、前記第１軸線Ｓ１，第２軸線Ｓ２，第３軸線Ｓ３がそれぞれ第１姿勢変向軸，第２姿勢変向軸，第３姿勢変向軸を構成している。そして、第１軸線Ｓ１，第２軸線Ｓ２および第３軸線Ｓ３は一箇所の交点（以下、軸交点という）Ｃにおいて交差する。

図３～図５に示すように、第３ユニット４３の出力軸には先端の刃先においてワークＷを加工する長尺ツールとしてのバイトよりなる一方向に長い加工ツール３１が支持されている。この加工ツール３１は、その長手方向に延びる中心線が第３軸線Ｓ３上において延長されて位置するとともに、加工部としての加工ポイントである先端の刃先が前記軸交点Ｃに位置している。従って、第２ユニット４２の出力軸の回転により、加工ツール３１は第１軸線Ｓ１に対して４５度の角度θ１をなす第２軸線Ｓ２を中心に変向回転される。これによって、加工ツール３１が水平面内の位置と、第１軸線Ｓ１に沿う鉛直線上の位置との間に配置される。このため、図７に示すように、加工ツール３１は、その先端の刃先が軸交点Ｃに配置された状態において第２軸線Ｓ２を中心に円錐面ＣＮ上を移動される。また、第１ユニット４１の出力軸の回転により、加工ツール３１は、その先端の刃先が軸交点Ｃに配置された状態において第１軸線Ｓ１を中心に、あるいは軸交点Ｃの周りを移動する。従って、図７の実線および２点鎖線で示すように、前記円錐面ＣＮが軸交点Ｃを中心にして、第１軸線Ｓ１の周りを回転変位することになる。

前記第２ユニット４２にはウェイト２７が支持されている。このウェイト２７は、軸線Ｓ２の反対側へのモーメント荷重に抗している。すなわち、このウェイト２７は、第２ユニット４２および加工ツール３１を含む第３ユニット４３による偏荷重を相殺して、その偏荷重が第１ユニット４１に作用することを抑制している。

（第１実施形態の作用）
以上のように構成された工作機械の作用を説明する。
第１ユニット４１の第１モータ４１１が回転されると、加工ツール３１が鉛直な第１軸線Ｓ１を中心に回転されて、その先端の刃先が軸交点Ｃを中心にして水平面内を回転される。また、第２ユニット４２の第２モータ４２１が回転されると、加工ツール３１が第１軸線Ｓ１に対して４５度の角度θ１をなす第２軸線Ｓ２を中心に回転変位される。従って、加工ツール３１の角度を自在に調節できる。さらに、第３ユニット４３のモータ４３１が回転されると、加工ツール３１は第３軸線Ｓ３上において、その第３軸線Ｓ３を中心に回転される。従って、加工ツール３１は第３軸線Ｓ３を中心に姿勢変向されて、刃先の向きを変向できる。

また、水平移動体１８のＸ軸方向への移動により、加工ツール３１がＸ軸方向に移動される。昇降体２２のＺ軸方向への移動により、加工ツール３１がＺ軸方向に移動される。テーブル２０のＹ軸方向への移動により、加工ツール３１がワークＷに対してＹ軸方向に相対移動される。

例えば、テーブル上のワークＷに対して球面加工を施す場合には、加工ツール３１とワークＷとがＸ，Ｙ，Ｚの３方向へ相対移動される。この相対移動により、加工ツール３１の先端の刃先の位置をワーク上の所要の位置に配置できるとともに、ワークＷ上を所要の軌跡に沿って移動できる。また、加工ツール３１を第１～第３軸線Ｓ１～Ｓ３上において移動させることにより、加工ツール３１の向きを調整できる。すなわち、加工ツール３１の角度と先端の刃先の向きを自在に調節できる。このため、ワークＷの被切削面が球面のような曲面形状であっても、加工ツール３１の刃先をワークＷの被切削面に対する法線上において常に加工方向に向かせることができる。従って、高精度な加工を施すことができる。

なお、加工ツール３１の先端の刃先が研磨などにより、その刃先が軸交点Ｃの位置から、第３軸線Ｓ３の方向において変位した場合には、少なくともひとつのモータ４１１，４２１，４３１の動作が補正される。

（第１実施形態の効果）
本実施形態においては、以下の効果を得ることができる。
（１－１）加工ツール３１の刃先の向きを変更するための第１，第２および第３ユニット４１，４２，４３の第１～第３軸線Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が軸交点Ｃで交差している。このため、離間する軸を中心に変更させる工作機械とは異なり、加工ツール３１を変向させるための構成を小型化および簡素化できる。従って、工場内における工作機械の設置スペースを小さくできる。また、工作機械を小型化できるため、軽量化も可能になる。従って、工作機械の振動振幅が小さくなって、加工精度の向上が可能になる。

（１－２）前述のように、本実施形態においては、加工ツール３１の先端の刃先を中心にして加工ツール３１を変向させることができる。このため、その刃先の向きと位置が定まり、刃先を加工方向に向かせることができて、円滑な加工が可能となるとともに、加工精度を向上できる。つまり、本実施形態においては、特許文献１とは異なり、加工ツール３１の刃先が１点を中心にした３軸上に位置して、その加工ツール３１が第３軸線Ｓ３に沿って延びて第３軸線Ｓ３を中心に向きを変更できる。このため、前記のように、加工ツール３１の刃先を常に加工方向に向けることが可能になって、加工ツール３１がバイトである場合には好適である。さらに、加工ツール３１の刃先を第３軸線Ｓ３上から外れないようにできるため、刃先位置においてその回転角度変化による誤差が生じることはない。従って、高精度加工ができる。加えて、３軸が同一点で交差している。このため、従来のような３軸がそれぞれ別の位置にあって交差していない構成とは異なって、不要な動きのキャンセル動作をともなうような高精度な位置決めを必要としない。従って、複雑な制御が不要になる。

（１－３）第２ユニット４２および第３ユニット４３の荷重を相殺するウェイト２７が設けられている。このため、加工ツール３１を支持する部分の重量バランスを確保できて、高精度加工に寄与できる。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態を図１，図８～図１１（ａ）～（ｄ）に基づいて、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

（第２実施形態の構成）
第２実施形態の構成について説明する。
図１に２点鎖線で示すように、テーブル２０及び加工ツール３１等の側方において、機台１４には図８～図１１（ａ）～（ｄ）に示す横長のワークＷとの干渉を避けるための開放部５１が形成されている。テーブル２０は横長のワークＷを搭載できるように、図示はしないが、横長に形成されている。そして、図９に示すように、機台１４には、ワークＷの両端を把持するためのクランプ装置を構成する一対のニードル５２が設けられている。ニードル５２は、Ｘ軸方向に延びるニードル軸線Ｓ４を中心に回転可能である。このニードル５２は、図示しないモータによってニードル軸線Ｓ４を中心に正逆いずれの方向にも回転される。

（第２実施形態の作用）
以下の説明においては、図８及び図９に示すように、円柱状をなる長尺状のワークＷに対して、図１０に示すように、その軸線方向に延びる凹部Ｗａを形成するものである。この凹部Ｗａは、その底面ＷｂがワークＷの中心を通る直径線と平行な平面である。また、凹部Ｗａの両内壁面Ｗｃは、底面Ｗｂに対して直角をなす。加工ツール３１としては、エンドミルが用いられる。

すなわち、図９に示すように、ワークＷはその両端においてニードル５２により把持される。そして、ワークＷは、Ｙ軸方向に移動されて、図１１（ｂ）に示すように、加工ツール３１の先端が凹部Ｗａの底面Ｗｂの位置に達する。その後、図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）に示すように、加工ツール３１のＸ軸方向における往復動及びＺ軸方向の移動と、ワークＷの回転及びＹ軸方向における移動とが同時に実行される。このとき、加工ツール３１が垂直面内において角度調節されて、底面Ｗｂに対して直角をなす両内壁面Ｗｃが形成される。以上のように、回転されるワークＷの凹部Ｗａの底面Ｗｂが平面形状であっても、両内壁面Ｗｃが底面Ｗｂに対して直角をなす形状であっても、加工ツール３１の角度調節によって、それらの面Ｗｂ,Ｗｃを削り出すことができる。

（第２実施形態の効果）
（２－１）加工ツール３１とワークＷとをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向において相対移動させるとともに、ワークＷを回転させることにより、前記のような平面形状の面Ｗｂを削り出すことができる。従って、加工ツール３１とワークＷとのＹ軸方向における位置関係を経時的に変更させれば、面Ｗｂを平面だけではなく、円弧面などの曲面を形成できる。

（２－２）両内壁面Ｗｃが底面Ｗｂに対して直角をなす形状であっても、加工ツール３１の角度調節によって、その両内壁面Ｗｃを削り出すことができる。従って、加工ツール３１とワークＷとのＺ軸方向における位置関係を経時的に変更させれば、底面Ｗｂに対する内壁面Ｗｃの角度を直角以外のものに変更できる。この場合、加工ツール３１とワークＷとの位置関係及び加工ツール３１の角度を適宜に変更すれば、図１０に２点鎖線で示すように、内壁面Ｗｃを曲面状に形成できる。

（２－３）Ｘ軸方向におけるワークＷの移動範囲を狭くすれば、Ｘ軸方向の両端が開放されていない溝あるいは凹部を削り出すことができる。このとき、ワークＷのＸ軸方向における移動範囲を経時的に変化させれば、側面（凹部のＸ軸方向の端面）を曲面状に形成できる。また、加工ツール３１のＸ軸方向の面内における角度を調節すれば、前記側面の外方に向かう開き角度を任意に変更できる。

（２－４）ワークＷの外周面に凸部を形成することができる。この場合は、凸部の形成予定部以外の部分を削り取ればよい。また、凸部の側面を加工ツール３１によって傾斜させることもできる。このようにすれば、各種の形状の凸部を形成できる。以上のように、加工ツール３１の角度や、加工ツール３１とワークＷとの位置関係の調整によって、円柱形状のワークＷに対して自在な形状の加工を施すことができる。

[第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態を図１２～図１３の図面に基づいて説明する。
（第３実施形態の構成）
図１２に示すように、本実施形態は、加工ツール３１として回転砥石を設けたものである。第３ユニット４３のモータ４３１のモータ軸４３２は第３軸線Ｓ３と平行な軸線Ｓ５上に位置する。回転砥石の外周の加工部としての研削面３１１が第３軸線Ｓ３上に位置する。そして、その研削面３１１が第１軸線Ｓ１，第２軸線Ｓ２及び第３軸線Ｓ３の交点に位置する。なお、回転砥石は、加工使用やドレッシングによって、外径が大きく変化するものがある。このように、外径が変化した場合は、研削面３１１を通る第３軸線Ｓ３の位置が変化するため、必要に応じてその変化分だけ工作機械の作動態様を調節する。

（第３実施形態の作用）
従って、本実施形態においては、図１２に実線及び２点鎖線で示すように、また、図１３及び図１４に示すように、研削面３１１が第１～第３軸線Ｓ１～Ｓ３上に位置して、その向きを変えることができる。このため、ワークＷに対して異なる方向から研削加工を施すことができる。

（第３実施形態の効果）
第３実施形態においては、以下の効果がある。
すなわち、回転砥石によってワークＷを異なる方向から研削できる。このため、例えば、ワークＷが曲面を有する場合、その曲面の研削をワークＷの位置を変更することなく、能率よく行うことが可能になる。

[変更例]
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のような態様で具体化することもできる。そして、前記各実施形態及び以下の変更例は、矛盾しない範囲内で組み合わせることができる。

・前記第１，第２実施形態のウェイト２７は、第２ユニット４２および第３ユニット４３の荷重を相殺するようにしたが、第２ユニット４２に別のウェイトを設けて、第３ユニット４３の荷重を相殺するように構成すること。

・第１軸線Ｓ１と第２軸線Ｓ２との間の角度θ１および第２軸線Ｓ２と第３軸線Ｓ３との間の角度θ２を変更すること。この場合、角度θ１と角度θ２との合計は前記各実施形態のように９０度としてもよく、０度を除く９０度以外でもよい。

・第３実施形態において、回転砥石のウェイトをキャンセルするバランスウェイトを設けること。

１０…工作機械
２４…第１軸
２６…第２軸
２９…第３軸
３１…加工ツール
３１１…研削面
Ｃ…軸交点
Ｓ１…第１軸線
Ｓ２…第２軸線
Ｓ３…第３軸線
θ１…角度
θ２…角度

Claims (7)

1. 第１姿勢変向軸と、その第１姿勢変向軸に対して傾斜する第２姿勢変向軸と、その第２姿勢変向軸に対して傾斜する第３姿勢変向軸を有するとともに、前記第１～第３姿勢変向軸を１箇所の交点で交差させ、前記第３姿勢変向軸の軸線上に加工ツールを支持するようにした工作機械。
2. 前記第１姿勢変向軸と前記第２姿勢変向軸との間の角度および前記第２姿勢変向軸と前記第３姿勢変向軸との間の角度の合計を９０度にした請求項１に記載の工作機械。
3. 前記第１姿勢変向軸と前記第２姿勢変向軸との間の角度および前記第２姿勢変向軸と前記第３姿勢変向軸との間の角度をそれぞれ４５度にした請求項２に記載の工作機械。
4. 前記加工ツールの加工部を前記交点上に位置させた請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の工作機械。
5. 前記加工ツールは、前記第３姿勢変向軸上に延長して配置され、先端の加工ポイントが前記交点に位置する長尺ツールである請求項４に記載の工作機械。
6. 前記加工ツールは、前記第３姿勢変向軸と平行な軸線上に支持され、外周の研削面が前記交点に位置する回転砥石である請求項４に記載の工作機械。
7. 前記加工ツールを支持する部分の重量バランスを相殺するためのバランスウェイトを設けた請求項１～６のうちのいずれか一項に記載の工作機械。

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